Теория струн и мультивселенная

Одним из наиболее важных событий в эволюции наших представлений о небесах — пришедшее осознание того, что чтобы понять самое большое из известного нам — Вселенную, — мы должны изучать самое маленькое, о чем имеем представление, — частицы, фундаментальные строительные блоки вещества.

 

Содержание

Теория струн и Вселенная

  1. Многомерность
  2. Гравитация
  3. Браны

Мультивселенная

  1. Ландшафт Теории струн
  2. Проблема тонкой настройки
  3. Антропный принцип

 

Теория струн и Вселенная

В последние годы странный и сложный мир теории струн привел к столь же странной идее параллельных вселенных. Если эксперименты подтвердят многоразмерную теорию струн, нам придется принять совсем другое видение реальности. Коперник учил, что Земля не является центром Вселенной; Хаббл — что Млечный Путь лишь одна из миллиардов галактик; теория струн — что вся наша Вселенная может быть, лишь одной из огромного множества вселенных. Совокупность вселенных называется мультивселенной.

 

Теория струн представляет многомерную Вселенную, состоящую из струн и бран

Теория струн представляет многомерную Вселенную, состоящую из струн и бран. Так браны могут складываться в такой многомерной Вселенной.

 

За последние несколько веков физики все глубже проникали в структуру материи. Вот краткий обзор нашего погружения в микромир:

 

  • XIX век: материя состоит из атомов.
  • Начало XX века: атом имеет ядро.
  • Середина XX века: ядра состоят из элементарных частиц.
  • Конец XX века: элементарные частицы состоят из кварков.
  • Наши дни: кварки состоят из странных объектов, называемых струнами.

 

Физик Стивен Габсер начинает свой замечательный труд «Маленькая книга о большой теории струн» так: «Теория струн - это загадка». И точнее сказать сложно. Основная идея этой теории в том, что кварки состоят из крошечных объектов, которые и называют струнами. Как подсказывает их название, их можно сравнить со струнами скрипки или гитары. Они ассоциированы с разными кварками, отвечающими за разные виды вибрации струн. Существует много версий теории струн, но мы сконцентрируемся на паре характеристик, которые делают струны особенно интересными:

 

  • Они объединяют гравитацию с другими фундаментальными взаимодействиями и таким образом могут описать самые ранние стадии Большого взрыва.
  • Для их выражения нужна сложная математика, так как они существуют в многомерных пространствах (например, 10- или 23-мерных).

 

Многомерность

Второй пункт настолько необычен, что лучше разобраться с ним в первую очередь. В окружающем нас мире четыре измерения: три пространственные координаты и ось времени. Пространственные измерения это вперед и назад, вверх и вниз, налево и направо. Мы редко думаем о времени в том же ключе, но «до» и «после» знакомые нам понятия.

 

Когда физики начали развивать теорию струн, они обнаружили, что единственный путь оградить их вычисления от бесконечностей увеличение измерений пространства. На жаргоне физиков мы скажем, что теории «перенормируются» только в этих многомерных мирах. Но что же делать, если теории имеют смысл только в 10- или 23-мерном мире, а мы живем в 4-мерном пространстве?

 

Простая аналогия иллюстрирует путь, которым струнные теоретики обходят эту проблему. Подумайте о садовом шланге, лежащем на газоне. Если посмотреть на шланг издалека, он будет похож на линию. Если вы захотите пойти вдоль этого шланга, то сможете двинуться только вперед или назад. Это означает, что шланг воспринимается как одномерный объект. Если же вы приблизитесь к нему, то увидите, что он трехмерен, то есть имеет также лево и право, верх и низ. Так, струнные теоретики утверждают, что струны представляют собой четырехмерные миры, если смотреть на них издалека, а прочие измерения становятся видимы только при приближении, что пока недоступно на уровне современных технологий. Физики говорят, что пространственные измерения «компактифицируются».

 

Теория струн и мультивселенная

 

Гравитация

Однако первая из отмеченных ранее характеристик объединение гравитации с другими силами и есть то, что представляет наибольший интерес для ученых. Кажется, что теории струн способны заделать вековую брешь в нашем понимании природы. В начале XX века произошли две большие научные революции. Одной из них была теория относительности Альберта Эйнштейна, которая и на сегодня остается самой лучшей теорией гравитации, и квантовая механика, которая является лучшим описанием микромира.

 

Проблема в том, что эти две теории работают в совершенно разных плоскостях. Гравитация возникает из деформации пространства-времени и работает с массами. Другими словами, гравитация есть результат изменения геометрии. В квантовой механике, напротив, силы возникают из-за взаимодействия частиц, по существу, это динамический подход. В настоящее время сильное, слабое и электромагнитное взаимодействия вместе описываются квантовой теорией, в то время как гравитация объясняется геометрией. Примирение двух подходов было основной нерешенной проблемой теоретической физики на протяжении нескольких десятилетий.

 

Теория струн разрешает эту давнюю дилемму. В этих теориях гравитация результат взаимодействия (пока еще не найденных) частиц гравитонов, а потому она не имеет фундаментальных отличий от трех других сил. Развитие мысли в этой области иллюстрируют теоретические ответы ученых разных веков на простой вопрос: почему я не выплываю из кресла, в котором сижу?

 

  • Исаак Ньютон: «Потому что Земля и вы гравитационно воздействуете друг на друга».
  • Альберт Эйнштейн: «Потому что масса Земли искривляет поверхность пространства-времени».
  • Струнный теоретик: «Потому что между вами и Землей происходит обмен потоком гравитонов».

 

Эти объяснения не противоречивы, а дополняют друг друга. Приспособьте теорию струн к массивным объектам, и вы получите релятивистскую теорию; приспособьте релятивистскую теорию к обычным объектам, и вы вернетесь к ньютоновской механике.

 

Браны

Новые версии теории струн включают в себя объекты, называемые бранами (от «мембраны»), которые можно представить как листы, колышащиеся в многомерном пространстве (представьте себе струну, колеблющуюся в перпендикулярном ее длине направлении, ее амплитуда и будет этим листом). Физики также рассуждают об универсальной версии теории струн, названной М-теорией, создание которой ознаменует окончание погони за подлинной фундаментальной структурой вещества. М-теория еще не создана, и множество храбрецов пытаются справиться с этой задачей.

 

Это была краткая подводка к тем идеям, что находятся на передовой современной науки. Однако я должен признать, что в физическом сообществе идут серьезные споры о том, является ли это и впрямь физикой. Сложность используемой математики помешала струнным теоретикам сделать предсказания, которые могли бы быть проверены экспериментально. Скептики говорят, что без традиционного взаимодействия теории и эксперимента теория струн это не более чем математическое построение. Защитники считают, что основные положения этих теорий, например предсказание существования суперсимметричных частиц (пока не обнаружены), в действительности могут быть проверены. Эти суперсимметричные частицы не удалось обнаружить на Большом адронном коллайдере в Женеве, самом мощном ускорителе в мире, и это бросило тень на теорию струн. Изменится ли что-то на этом фронте в будущем, неизвестно.

 

В любом случае теории струн помогают нам навести мост над последней пропастью, которую мы обсуждали и которая отделяет хорошо разработанную историю Большого взрыва от неизвестных, связанных с объединением четырех взаимодействий. Они могут помочь нам ответить на вопрос «Как все началось?»

 

Британский физик-теоретик Майкл Грин один из пионеров в теории струн

Британский физик-теоретик Майкл Грин один из пионеров в теории струн.

 

Мультивселенная

Существует множество различных версий теории струн. Точно так же существует множество предположений о том, что представляет собой мультивселенная. Некоторые из них действительно эксцентричные: они подразумевают наличие многомерных бран, генерирующих новые вселенные. Наиболее удобоваримую картину, однако, дает аналогия с пузырями кипящей воды. Каждый из пузырей отдельная вселенная, такая же, как наша, полная галактик. Наш собственный пузырь расширяется, и в некоторых версиях теории мультивселенной такой пузырь, как наш, постоянно дает маленькие пузыри на своей поверхности, в каждом из которых реализуется собственный сценарий Большого взрыва. Другими словами, наша Вселенная может порождать дочерние вселенные, пока вы читаете эти строки.

 

Мультивселенная в представлении художника

Мультивселенная в представлении художника.

 

Ландшафт Теории струн

Теории струн предсказывают существование мультивселенной, опираясь на так называемый ландшафт теории струн. Представьте себе космическую игру в мяч: мячи катаются по поверхности, покрытой горами и долинами. Мы знаем, что рано или поздно мяч остановится в одной из этих долин не обязательно самой глубокой, он может попасть и в ловушку и в мелкой долине. Долина, способная остановить мяч, даже если она не является самой глубокой, на жаргоне теоретических физиков называется ложным вакуумом.

 

Согласно теории струн, когда мы составляем карту поверхности в соответствии с возможными энергетическими состояниями в нескольких измерениях, мы обнаруживаем гигантское количество ложных вакуумов (долин) около 10500. Каждая из долин это место, где мяч может закончить существование, или в теории струн возможная вселенная. 10500 гигантское число, это 1 с 500 нулями! Но в любом случае мы можем сказать, что ландшафт теории струн содержит бесконечное число возможных вселенных. А если такая вселенная, как наша, действительно производит дочерние вселенные, мы можем представить такое событие как прокатывание нового мяча по горе или долине. Если мы запустим достаточное количество мячей, то можем ожидать, что большинство ложных вакуумов будет заполнено. И тогда в мультивселенной теории струн всякая возможная вселенная проявится где-нибудь на ландшафте.

 

По поводу мультивселенных ведутся философские дебаты. Их причиной является то, что в большинстве версий теории отсутствует возможность контакта между вселенными и, как следствие, нет возможности получить прямые экспериментальные доказательства существования вселенных за пределами нашей собственной.

 

С другой стороны, если какая-то версия теории струн позволит-таки провести посильный эксперимент и если эта теория также предсказывает существование мультивселенной, тогда мы сможем отнестись к этому предсказанию серьезно. А это важно, поскольку не исключено, что существование мультивселенной поможет разрешить большую и давнишнюю проблему в нашем понимании Вселенной.

 

Одновременное возникновение множества вселенных, в которых действуют разные законы физики

Одновременное возникновение множества вселенных, в которых действуют разные законы физики. Наша Вселенная в центре, а вселенная без вещества справа.

 

Проблема тонкой настройки

Это называется проблемой тонкой настройки. Ее можно описать по-разному, но почувствовать поможет мысль о гравитации. Если бы эта сила была намного больше, чем есть на самом деле, то Вселенная сколлапсировала бы вскоре после Большого взрыва просто потому, что мощная гравитация остановила бы расширение еще до того, как оно по-настоящему началось бы. Аналогично, если бы гравитационные силы были слабее, то они оказались бы недостаточными для того, чтобы собрать материю вместе для образования звезд или планет. В обоих случаях Вселенная не произвела бы живых существ, способных задавать вопросы о гравитации. Так что гравитационные силы являются силами тонкой настройки, то есть ограничены определенными значениями, при которых может развиться жизнь.

 

Похоже, такой тип тонкой настройки является характеристикой всех мировых констант. Вычисления, например, показывают, что изменение лишь на несколько процентов ядерных (удерживающих нуклоны в ядре) или электромагнитных (удерживают электроны на орбитах в атомах) сил не даст образоваться атомам углерода и кислорода тех элементов, без которых существование жизни вроде нашей невозможно. Точно также константа, называемая космологической постоянной которая, как полагают некоторые теоретики, вовлечена в процесс расширения о Хабблу, в нашей Вселенной близка к 0 (но не равна ему). И все же когда физики используют квантовую механику для вычисления этого числа, теоретические значения отличаются от экспериментальных на 120 порядков. Должно быть, какой-то пока неизвестный эффект почти полностью отменяет эту огромную величину, но все, что мы можем сказать сейчас, это то, что космологическая постоянная настроена почти так же, как практическая месть!

 

Эта тонкая настройка фундаментальных сил и констант всегда была проблемой в науке. Почему мы живем во Вселенной, в которой все они имеют именно такие значения? Некоторые теологи предложили считать тонкую настройку доказательством существования Бога.

 

Антропный принцип

Теория мультивселенной, однако, поддерживает другую точку зрения, имеющую отношение к старому-доброму антропному принципу. Приверженцы этой концепции указывают, что вопрос о том, почему фундаментальные константы такие, какие они есть, некорректно поставлен. В действительности он должен быть таким: «Почему фундаментальные константы, как они есть, привели к возникновению разумного существа, задающего эти вопросы?» Во Вселенной, в которой невозможна жизнь, вопросы никогда не будут заданы, так что сам факт постановки вопроса есть характеристика Вселенной, в которой это происходит.

 

Хочу обратить внимание на то, что существует две версии антропного принципа: слабая и сильная. Слабый принцип это аргумент, озвученный ранее: мы должны жить во Вселенной, способной породить жизнь, потому что вопрос был задан. Сильный принцип утверждает, что есть еще неоткрытый закон, который гласит: Вселенная должна быть такой, чтобы жизнь существовала. Большинство ученых придерживаются слабой версии.

 

Мой старый профессор статистики имел обыкновение рассуждать о проблеме, как он говорил, «мяча для гольфа в форватере». Пока игрок не замахнется, вероятность того, что мяч приземлится на каком-то конкретном участке газона, ничтожна. И, тем не менее, в конечном итоге мяч обязательно окажется на одном из них. Если он не приземлится там, то приземлится в каком-нибудь еще таком же маловероятном месте. И если мы созерцаем ландшафт теории струн, то бесполезно спрашивать, почему мы в этой особенной маловероятной Вселенной, так как если бы мы были не в ней, то какая-то версия нас существовала бы в каком-нибудь еще маловероятном месте.

 

Если смотреть на вещи подобным образом, вы придете к интересным мыслям. Например, о том, что число возможных Вселенных настолько велико, что их подмножество, способное производить жизнь, также достаточно велико. Это ведет к стандартному научно-фантастическому сценарию, в котором вы читаете эти строки в другой Вселенной и у вас есть хвост и зеленые щеки. Мультивселенная это триумф картины мира Коперника: окончательное удаление человечества из центра мироздания.